Учёные доказали эффективность трёхуровневых квантовых систем

Ученые Университета МИСИС, Российского квантового центра, ФИАН им. Лебедева и МФТИ продемонстрировали работоспособность трехуровневых квантовых систем — кутритов сразу на двух типах отечественных квантовых процессоров — сверхпроводниковом и ионном.

С помощью кутритов исследователи смоделировали неравновесный фазовый переход нарушения симметрии чётности и времени. Такая симметрия нарушается, если изолированная физическая система начинает взаимодействовать с окружающим миром, теряя при этом часть своей энергии.

Принято считать, что элементарной ячейкой квантовой информации является квантовый бит (кубит) — двухуровневая квантовая система, способная находится как в состояниях 0 или 1, так и одновременно в их суперпозиции. Однако возможности многих физических систем заметно шире, и количество уровней в базовой квантовой ячейке может быть больше двух. Использование этих дополнительных уровней дает прирост производительности квантового процессора при том же количестве элементарных ячеек.

Работа российских ученых содержит в себе сразу несколько уникальных достижений. Во-первых, был выполнен алгоритм, позволивший промоделировать различные режимы затухающих колебаний некоторой абстрактной квантовой системы на квантовом процессоре. Подобная концепция уже была предложена научной группой хельсинского университета Аалто, однако, в отличие от финских коллег, нашим ученым для реализации идеи потребовался всего лишь один кутрит вместо двух полноценных кубитов, что является более экономичным решением с точки зрения ресурсов квантового процессора. Во-вторых, представленный алгоритм был успешно выполнен сразу на двух различных квантовых платформах: в ФИАН на ионах в ловушке, а в НИТУ МИСИС на сверхпроводниковом 8-кубитном процессоре.

«Для меня этот результат представляется важным прежде всего потому, что одновременно, фактически в параллельном режиме, квантовые алгоритмы были запущены на двух совершенно разных физических платформах — сверхпроводящей и ионной — в двух ведущих российских исследовательских центрах. Идентичность результатов указывает на высокую достоверность и воспроизводимость расчетов на разных аппаратных средствах и, конечно, на справедливость квантовых постулатов. И, конечно, тот факт, что мы впервые использовали ионные и сверхпроводящие кутриты также выделяет данное исследование: в мире насчитывается всего несколько групп, которые овладели этим методом», — сообщил директор Физического института им. Лебедева РАН Николай Колачевский.

«Для нас это исследование крайне важно, чтобы продемонстрировать потенциал квантовых вычислений в изучении фундаментальных физических явлений, таких как фазовые переходы. Реализация данного эксперимента потребовала развития экспериментальных методов контроля многоуровневыми квантовыми системами, что было успешно продемонстрировано для двух разных физических платформ», — отметил директор Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС Алексей Фёдоров.

«Исследование дополнительного уровня на сверхпроводниковых кубитах представляет для нас больший интерес. Проделанная работа является важным шагом на пути к реализации защищенных логических кубитов с использованием кодов коррекции квантовых ошибок, так как именно утечка квантовой информации на этот уровень считается наиболее трудно исправляемой ошибкой. Кроме того, дополнительный уровень дает новые возможности с точки зрения выполнения квантовых алгоритмов здесь и сейчас. Например, его можно использовать для эффективной декомпозиции сложных квантовых операций таких как вентиль Тоффоли. Наконец, отдельного внимания заслуживают в принципе исследования, связанные с квантовой тернарной логикой, поскольку она позволяет при практических тех же физических ресурсах оперировать логическим пространством большой размерности», — сообщила первый автор работы, сотрудник РКЦ и лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС Алёна Казьмина.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A. (Q1). Работа поддержана госкорпорацией «Росатом» в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. Исследование выполнено консорциумом «Квантовый интернет», созданным в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».

«Сегодня в Университете МИСИС представлены все направления в области квантовых технологий – разработка квантовых процессоров, алгоритмы квантовых вычислений, а также квантовые коммуникации и сенсоры. Наш вуз — активный участник реализации дорожных карт "Квантовые технологии" и "Квантовые коммуникации". Над проектами работают ведущие исследователи мирового уровня, среди них — д.ф.-м.н. Алексей Устинов, д.ф.-м.н. Григорий Гольцман, д.ф.-м.н. Валерий Рязанов, PhD по теоретической физике Алексей Федоров. В рамках программы "Приоритет 2030" мы сформировали и реализуем стратегический проект "Квантовый интернет", логичным продолжением которого стало создание осенью 2023 года Института физики и квантовой инженерии в структуре вуза. Всё это позволит обеспечить университету одну из лидирующих позиций в квантовой гонке», — прокомментировала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.

В дальнейшем ученые планируют продолжить разработку квантовых алгоритмов на кутритах и, в частности, исследовать методы коррекции квантовых ошибок, затрагивающие дополнительные уровни.